雙層探測(cè)器能譜CT的特點(diǎn)及臨床應(yīng)用

羅春材，李濤，楊立

中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院 第一醫(yī)學(xué)中心 放射診斷科，北京 100853

引言

常規(guī)CT發(fā)出的X線(xiàn)是具有混合能量的射線(xiàn)，只能根據(jù)組織衰減區(qū)分幾種物質(zhì)，很多物質(zhì)的衰減是重疊的。根據(jù)X線(xiàn)的能量，組織的衰減有特定的分布。雙能量CT能夠根據(jù)不同的能級(jí)下組織的衰減，進(jìn)一步區(qū)分組織?；陔p層探測(cè)器的能譜CT成像是一種新的雙能量技術(shù)，其能譜的分離發(fā)生在探測(cè)器的水平。本文就雙層探測(cè)器能譜CT的特點(diǎn)及臨床應(yīng)用做一綜述。

1 CT能量成像的技術(shù)原理

眾所周知，醫(yī)用X線(xiàn)是電磁波，組成粒子是光子。常規(guī)CT只能獲得總衰減信息，可以識(shí)別不同密度的物質(zhì)，但卻無(wú)法識(shí)別等密度的不同物質(zhì)。在診斷能量范圍內(nèi)，X射線(xiàn)光子與物質(zhì)的相互作用有三種類(lèi)型：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和相干散射。由于相干散射屬于小概率事件，可忽略不計(jì)。X線(xiàn)經(jīng)過(guò)物質(zhì)后產(chǎn)生的光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)共同決定了物質(zhì)的衰減曲線(xiàn)。其中光電效應(yīng)衰減與X線(xiàn)光子的能量呈負(fù)相關(guān)，X線(xiàn)光子能量越低，光電效應(yīng)越強(qiáng)，X線(xiàn)光子能量越高，光電效應(yīng)越弱，然而康普頓散射衰減則隨著X線(xiàn)光子能量的改變時(shí)變化不明顯。通過(guò)對(duì)X線(xiàn)衰減系數(shù)的分解，可獲得額外的信息，衰減系數(shù)相同的不同物質(zhì)，可通過(guò)分解后兩種效應(yīng)比例的不同進(jìn)行物質(zhì)識(shí)別和區(qū)分[1]。CT能量成像能夠區(qū)分不同的物質(zhì)，原理是利用不同物質(zhì)的X線(xiàn)衰減值（CT值）的不同。CT是通過(guò)測(cè)量X線(xiàn)在穿透物體中的吸收來(lái)成像的。能譜成像的實(shí)現(xiàn)是基于硬件的物理基礎(chǔ)和軟件技術(shù)支持，包括高壓發(fā)生器、X線(xiàn)球管和探測(cè)器材料及其重建技術(shù)的重大突破[2]。正確理解雙能量CT的先進(jìn)性，需要掌握這些基本原理。

2 雙能量CT成像方法

雙能量CT的獲得常有三種方法：① 以西門(mén)子為代表的雙源雙能量CT通過(guò)兩套球管和探測(cè)器系統(tǒng)以不同的管電壓（140 kVp，80 kVp）進(jìn)行雙能量減影分析，兩個(gè)球管呈一定角度排列，一個(gè)球管產(chǎn)生高kVp的X線(xiàn)，另一個(gè)球管產(chǎn)生低kVp的X線(xiàn)，兩套系統(tǒng)獨(dú)立采集數(shù)據(jù)信息，并完成圖像數(shù)據(jù)空間匹配；② 以GE公司為代表的寶石能譜CT是通過(guò)快速切換X線(xiàn)管球發(fā)出的管電壓(140 kVp，80 kVp)，能譜柵成像技術(shù)獲得單能量成像；高壓發(fā)生器在0.25 ms內(nèi)完成140 kVp和80 kVp高低能量的周期性切換，并能維持穩(wěn)定的輸出電壓波形，進(jìn)行兩個(gè)能量的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)投影數(shù)據(jù)空間的能譜分析；③ 以Philips公司為代表的雙層探測(cè)器能譜CT，是使用立體的雙層探測(cè)器分別探測(cè)單源的持續(xù)的管電壓發(fā)出的一種X線(xiàn)的高能級(jí)及低能級(jí)的光子，轉(zhuǎn)換成兩組能量數(shù)據(jù)，并重建出能量圖像，從而實(shí)現(xiàn)“同時(shí)、同源、同向”的能譜成像。雙能量成像的分類(lèi)方法和版本有分三種：雙源技術(shù)、快速kVp切換技術(shù)、雙層探測(cè)器技術(shù)[3‐5]；也有分為五種：雙源技術(shù)、快速kVp切換技術(shù)、雙層探測(cè)器技術(shù)、濾片分離技術(shù)、序列采集技術(shù)[6‐7]。

3 雙層探測(cè)器能譜CT圖像特點(diǎn)

雙層探測(cè)器能譜CT可以獲得常規(guī)混合能量的圖像和以能譜為基礎(chǔ)的圖像。前者將接收高、低能量的探測(cè)器的數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，采用濾過(guò)反投影或迭代重建技術(shù)，獲得類(lèi)似單一能量CT獲得的混合能量圖像，用于常規(guī)的臨床診斷。后者產(chǎn)生了以光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)為基礎(chǔ)的圖像，并由此進(jìn)一步產(chǎn)生附加了物質(zhì)成分的圖像，包括碘密度圖、虛擬平掃圖、尿酸圖、單能級(jí)圖像（40～200 keV），有效原子序數(shù)圖，組織強(qiáng)化圖，電子密度圖、鈣抑制圖、雙能量散點(diǎn)圖等[8]。具體內(nèi)容如下：① 碘密度圖可以準(zhǔn)確地進(jìn)行血管或器官內(nèi)碘的定量分析[9]；② 增強(qiáng)圖像去除碘的影響獲得虛擬平掃的圖像；③ 尿酸圖只顯示尿酸的影像，而其它組織均顯示為黑色，用于評(píng)價(jià)尿路結(jié)石和痛風(fēng)；④ 單能量圖像指人體組織在某一種純凈單能量下獲得的圖像，選擇低keV的圖像，能提高不同組織間的對(duì)比度，提高小病灶的檢出率，更加清晰的顯示病變內(nèi)部特征；選擇高keV圖像能去除硬化和金屬偽影；雙層探測(cè)器能譜CT可以獲得40～200 keV的單能量圖像，單能量圖像可以更好地觀(guān)察組織的衰減隨著能級(jí)的變化而變化，值得注意的是雙能量CT獲得的單能圖像，并非真正的單能圖像，而是通過(guò)數(shù)學(xué)模型的方法解析和重建出的模擬單能圖像；⑤ 有效原子序數(shù)圖是基于組織的有效原子序數(shù)不同獲得的彩色編碼圖，通過(guò)能譜物質(zhì)分離過(guò)程計(jì)算出來(lái)的光電效應(yīng)和康普頓散射效應(yīng)系數(shù)代表了組織空間分布的功能，系數(shù)的比例與物質(zhì)的有效原子序數(shù)成比例，有效原子序數(shù)描述了物質(zhì)的組成，代表了更高水平的物質(zhì)差異；⑥ 組織強(qiáng)化圖基于物質(zhì)分離技術(shù)，可單獨(dú)顯示強(qiáng)化組織（可去骨）[8]；⑦ 電子密度圖是由于光電效應(yīng)數(shù)據(jù)和康普頓效應(yīng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)線(xiàn)性整合生成，可直接定量電子密度[8]；⑧ 鈣抑制圖基于雙層探測(cè)器CT技術(shù)通過(guò)對(duì)鈣物質(zhì)的識(shí)別，對(duì)含鈣組織的CT 值進(jìn)行修正，使用者可根據(jù)目標(biāo)組織含鈣量的多少選擇合適的抑鈣指數(shù)X（范圍為25～100），鈣抑制圖設(shè)置了76個(gè)不同的級(jí)別，實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)來(lái)確定針對(duì)目標(biāo)組織的最佳的抑鈣指數(shù)[1]，凸顯骨髓質(zhì)等軟組織成分[8]；⑨ 雙能量散點(diǎn)圖是利用物質(zhì)在兩種不同能量的X線(xiàn)下衰減系數(shù)的差異來(lái)進(jìn)行物質(zhì)分離和鑒別的一種能譜分析工具，基于雙層探測(cè)器的CT掃描技術(shù)，通過(guò)120 kVp常規(guī)掃描，選擇其中的160 keV圖像為橫坐標(biāo)軸賦值，以及40 keV圖像為縱坐標(biāo)賦值，然后進(jìn)行不同ROI（顏色標(biāo)記）的勾畫(huà)就獲得了不同物質(zhì)的散點(diǎn)圖分布（相應(yīng)顏色標(biāo)記），可用于等密度病灶（如急性腦缺血）的鑒別診斷[10]。

4 雙層探測(cè)器能譜CT的臨床應(yīng)用

雙層探測(cè)器能譜CT的應(yīng)用范圍廣闊，較常規(guī)CT掃描，能提高圖像識(shí)別，提供更多的影像學(xué)信息。Rajiah等[11]的研究結(jié)果顯示81%的CT檢查由于無(wú)法獲得足夠診斷信息，需要進(jìn)一步檢查，而基于雙層探測(cè)器的技術(shù)可保證每一次常規(guī)CT掃描都有能譜信息，可以根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行回顧性能譜分析，這對(duì)臨床意味著可額外提供78%的診斷有用信息，并減少約30%的漏診。

4.1 雙層探測(cè)器能譜CT 在增強(qiáng)識(shí)別、血管優(yōu)化中的應(yīng)用

增加血管內(nèi)對(duì)比劑的可視化。使用雙層探測(cè)器能譜CT進(jìn)行血管成像，利用單能量圖像，可以有效提升對(duì)比劑的密度，對(duì)比劑的密度大幅上升將改善血管造影不佳的情況，減少額外對(duì)比劑的使用以及多余的輻射劑量，尤其適合腎功能不良的患者。另外，血管成像質(zhì)量在雙層探測(cè)器能譜CT低能級(jí)單能圖像也會(huì)增加，圖像的信噪比和對(duì)比噪聲比增高，有利于發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)的病變。最近的研究顯示使用雙層探測(cè)器能譜CT成像全身血管，50 keV單能級(jí)圖像是平衡圖像噪聲和對(duì)比噪聲比的最佳單能級(jí)圖像；與混合能量成像全身血管相比，50 keV可以縮減50%的對(duì)比劑用量獲得相同甚至更好的圖像質(zhì)量[12]。富血供的病變由于碘的密度高，在低能量圖像與周?chē)M織對(duì)比好而更加突出。少血供的病變，如胰腺癌，在低能量圖像由于與周?chē)Ｒ认俚膶?duì)比增加也會(huì)表現(xiàn)得更加突出[13]。

4.2 雙層探測(cè)器能譜CT 在縮減偽影、優(yōu)化解剖中的應(yīng)用

CT掃描中常常會(huì)出現(xiàn)線(xiàn)束硬化偽影，金屬偽影以及鈣化的blooming效應(yīng)偽影。高能級(jí)的單能圖像可以縮減和消除金屬偽影，特別是低原子序數(shù)的金屬偽影，如不繡鋼、鋁。Hickethier等[14]報(bào)道了使用高能級(jí)單能圖像縮減冠脈支架的偽影，提高支架的成像質(zhì)量。高原子序數(shù)的偽影如栓塞的彈簧圈，可以通過(guò)碘密度圖進(jìn)行評(píng)價(jià)。線(xiàn)束硬化偽影和鈣化的blooming偽影也可以通過(guò)高能級(jí)的單能圖像縮減[15]。已經(jīng)有文獻(xiàn)報(bào)道使用雙層探測(cè)器能譜CT高能級(jí)單能圖像縮減后顱窩線(xiàn)束硬化偽影、髖關(guān)節(jié)假體偽影、脊柱、盆腔、四肢等植入物偽影的報(bào)道[16‐20]。Zopfs等[21]研究發(fā)現(xiàn)虛擬單能級(jí)圖像和去金屬偽影重建圖像的組合有利于最大程度地減少顱內(nèi)金屬圈和金屬夾周?chē)膫斡啊?/p>

4.3 雙層探測(cè)器能譜CT 在物質(zhì)分離、組織灌注中的應(yīng)用

有效原子序數(shù)、碘密度圖和鈣‐尿酸圖用來(lái)評(píng)價(jià)尿路結(jié)石、痛風(fēng)、粥樣硬化斑塊的成分、腫瘤或器官的灌注、腫瘤對(duì)治療的反應(yīng)、頭頸部CTA的去骨等。由于對(duì)尿酸結(jié)石和鈣結(jié)石的管理不同，因此評(píng)價(jià)尿路結(jié)石的成分非常重要。尿路結(jié)石的成分可以通過(guò)有效原子序數(shù)圖及尿酸圖來(lái)顯示[22]。關(guān)節(jié)的痛風(fēng)結(jié)晶也可以通過(guò)尿酸圖來(lái)顯示。碘密度圖可以用來(lái)評(píng)價(jià)器官的灌注，如心肌的灌注、肺的灌注。心肌灌注可以用來(lái)評(píng)價(jià)心肌缺血。Oda等[23]的對(duì)照研究表明，雙層探測(cè)器CT在心肌的ECV定量方面可與MR高度一致，而且空間分辨率更高。肺灌注可以用來(lái)評(píng)價(jià)小的肺栓塞[24]。Si‐Mohamed等[25]通過(guò)直接比較研究發(fā)現(xiàn)：雙能CT與單光子發(fā)射CT在肺灌注評(píng)估中定量分析存在強(qiáng)相關(guān)性且定性分析高度一致。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，雙能CT對(duì)肺灌注缺損顯示的銳利度更高且輻射劑量更低。

4.4 雙層探測(cè)器能譜CT在虛擬平掃、降低射線(xiàn)劑量中的應(yīng)用

研究顯示除了皮下脂肪以外，由雙層探測(cè)器雙能CT增強(qiáng)掃描獲得的虛擬平掃圖像，組織的CT值與真正的平掃圖像CT值是相似的[26]。Nagayama等[27]研究結(jié)果表示虛擬平掃與真實(shí)平掃存在強(qiáng)正相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)r=0.92），但與真實(shí)平掃相比會(huì)略高估腺瘤的CT值（平均偏差，11 HU<0.001）。另外，有研究顯示雙層探測(cè)器能譜CT與常規(guī)的單層探測(cè)器相比，臨床適應(yīng)癥廣泛，能夠獲得能譜信息而無(wú)需增加射線(xiàn)劑量[28]。虛擬平掃可以替代真正的平掃，從而降低患者的射線(xiàn)劑量[29]。

4.5 雙層探測(cè)器能譜CT 在其他方面的應(yīng)用

Laugerette等[30]研究結(jié)果表明：基于雙層探測(cè)器CT定位像可快速、可靠地測(cè)量骨密度，結(jié)果與DXA高度一致，所以骨密度測(cè)定這種檢查在未來(lái)可能成為CT檢查的一種額外福利。Ng等[31]研究發(fā)現(xiàn) 在測(cè)試的兩種肝臟自動(dòng)提取方法中，采用能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行肝臟自動(dòng)提取的準(zhǔn)確性?xún)?yōu)于常規(guī)CT值。還有研究使用雙層探測(cè)器能譜CT對(duì)比增強(qiáng)及非對(duì)比增強(qiáng)技術(shù)，分析血栓的成分[32]。

5 總結(jié)

總之，雙層探測(cè)器能譜CT技術(shù)是一種新的雙能量成像技術(shù)，可以提供能譜信息。雖然一般認(rèn)為140 kVp的能譜分離更好，但實(shí)際上140 kVp和120 kVp都有足夠的能譜分離，在物質(zhì)定量方面也幾乎是等效的[8]。在血管成像方面、器官灌注方面具有優(yōu)勢(shì)。盡管雙能量CT都能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)碘濃度，但雙層探測(cè)器能譜CT低能級(jí)單能圖像，可以獲得更低的噪聲、更高的影像對(duì)比，更好地顯示病變，增加影像診斷信息，提高診斷信心[9,33]。雙層探測(cè)器能譜CT技術(shù)擁有很好的前景，值得我們?cè)谟煤贸Ｒ?guī)檢查的基礎(chǔ)上，開(kāi)拓出新的應(yīng)用途徑，幫助臨床診療。